发动机支架失效分析及改进

徐萍，王化龙（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）



发动机支架失效分析及改进

徐萍，王化龙
（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

文章从结构设计、CAE分析、铸造工艺及热处理工艺等方面对发动机支架断裂进行了失效分析，查找到了失效原因。针对失效原因进行了改进，最终取得了显著效果。

发动机支架；疲劳断裂；铸造；正火；CAE

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.086

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-251-03

引言

市场反馈，某重卡车型发动机支架失效问题频发。调查发现，发动机支架一端通过四条螺栓与发动机相连，一端通过减震垫固定在车架纵梁上。发动机支架断裂后，将严重影响发动机悬置系统稳定性。通过对售后数据的分类统计表明，发动机支架断裂频高发于使用第3个月，首次故障里程在4万公里，属车辆早期多发故障之一。

1、失效分析

1.1理化检验

1.1.1断裂位置及宏观断口观察

对随机抽取的2件失效件外观观察，断裂位置均位于发动机支架与减震器垫连接安装面附近、发动机支架弯曲处，断裂面与支架肋板底面大致垂直，表面均有轻微氧化锈蚀。断裂表面外观呈多源疲劳特征，裂纹源在零件筋板一侧，源区附近多条台阶状起裂棱，说明该处应力较集中；扩展区具有明显的贝纹线特征，支架安装面上方为最终瞬断区。

其中1#断裂面沿着支架宽度方向中心处，可见明显的长条状（约9*1.5mm）、圆孔形（约￠4mm）缩孔铸造缺陷，2#断裂面亦可见明显缩孔；两断裂零件断口疲劳源附近表面均未发现明显的磕碰、挤压等机械损伤。

1.1.2尺寸检查

对两件失效件关键尺寸进行检查，均与图纸要求相符合。

1.1.3硬度检验

沿断裂件断口附近支架宽度方向取样测量，两失效件表面硬度平均值分别为169HBW5/750和170HBW5/750。

1.1.4化学成分

对断裂的发动机支架化学成分分析见表1，结果表明，失效件材料化学成分均符合ZG270-500。

表1　断裂件化学成分（w，%）

1.1.5组织

沿断裂件断口附近取样观察，两件失效件金相组织均为铁素体+珠光体+残余铸态组织，为非正常正火组织，说明零件热处理不良。

理化结果表明：失效支架尺寸、化学成分符合要求，但正火不良。

1.2生产过程调查

铸造设计过程中冒口的摆放位置如图5所示，冒口位置恰为断裂位置处。从工艺角度分析，设置冒口目的是要消除缩孔，但必须估计到随之而来的负面影响，即构成工艺热节和冒口颈处的砂尖角。故障件的断裂口反映出冒口未对铸件起到补缩作用，反而使得热流在此处淤塞形成热节缩孔或冒口颈缩孔。[1]

1.3CAE分析

通过CAE分析7种工况模拟条件，结果表明，Z向受力最大（上、下方向承重点），分析最大受力点与断裂位置一致，为零件承重的弯矩最大处；在工况1时静态安全因子最小为1.955，其他工况下静态安全因子集中在2-3之间。

综合零件装配位置，断裂处恰为背板与安装面过渡变截面区，无圆弧过渡，应力较为集中；且筋板宽度仅为10mm，该处承载车辆运行过程的震动，为弯矩最大处，其有效承载力截面积相对较小，二者综合产生应力集中，造成最终疲劳断裂。

2、整改措施

2.1结构优化

针对支架背板结构斜筋与安装面连接处有效承载力截面积相对小，过渡圆弧不明显，对此处结构进行优化，加强背板上的加强筋，通过大圆弧过渡，提高力学性能，同时有效减小该处应力集中。

2.2CAE分析

对改进后结构进行模拟分析，对比原结构，改进前后支架的最小静态安全因子分别为1.955、3.059，第1种工况条件下，最小静态安全因子为改进前结构的1.6倍；其他工况下安全因子均远高于改进前。

2.3生产工艺变更

经过工艺对冒口位置的调整，通过对铸件的解剖及加工验证，原断裂位置的缩孔缺陷有所改善，提高了力学性能。

2.4热处理工艺改善

由于安装面与背板尺寸较厚，若在正火处理过程温度或保温时间不足，由于没有完全奥氏体化，使得铸态的粗晶和晶内的针状铁素体没有完全溶化，故保留了原始的残余铸态特征。试验表明，铸钢残留铸态组织对抗拉强度和延伸率影响不大，但对冲击韧性影响极大，脆性较大。[2]通过调整，将正火热处理工艺定为880℃保温4小时，基体组织达到标准要求。

3、改进效果跟踪

自发动机支架改进切换后，未发现改进后的支架断裂，改进效果显著。

4、结语

1）发动机支架尺寸、成分均符合标准要求，造成其疲劳失效的主要原因为结构设计强度不足，其次为铸造及热处理工艺不良。

2）通过零部件结构、铸造冒口位置及正火工艺的改善，结合CAE的模拟分析，确定改进后的方案，支架使用后改善结果显著。

[1]陈国桢,肖柯则,姜不居.铸件缺陷和对策手册.[M]机械工业出版社,1996.

[2]白培谦.St52-3铸钢非正常正火的组织和性能.[J].理化检验-物理分册,2007（43）:609-610.

Failure analysis and improvement of engine support

Xu Ping,Wang Hualong
(Shaanxi Heavy Automobile Co.LTD,Shaanxi Xi'an 710200)

From the structure design,CAE analysis,casting process and heat treatment process and other aspects of the failure analysis of engine bracket fracture,we find out the causes of failure.The failure causes were improved,and the remarkable results were achieved.

engine support; fatigue fracture; casting; normalizing; CAE

U464

A

1671-7988（2016）08-251-03

徐萍（1984-），女，中级工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，主要从事质量改进工作。